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Norbert Löhr
MTBF und mehr…
29. März 2012
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einzelne Module
von CARE
Stress
Calc
SDTA
TA
FlowCAD Confidential
MTTR
MTBF
FMEA
FMECA
FTA
RBD
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MRS
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MTBF (Mean Time Between Failures)
Beschreibt statisch die Ausfallwahrscheinlichkeit eines Systems
MTBF ist eine reine Addition von Fehlerraten der Bauteile eines Systems
Fehlerrate 1 + Fehlerrate 2 + Fehlerrate X + = Fehlerrate des Systems
Die Fehlerrate von Bauteilen wird in Ausfallratensammlungen wie z.B.
in der MIL-HDBK-217F2 oder SN29500 angeboten
Typische Einheiten:
– MIL-HDBK-217F2
– SN29500
= Fpmh ( 10 e6 )
= FIT ( 10 e9 )
Die Fehlerraten sind nur gültig für eine genau
definierte Umgebung z.B. für die SN29500
–
–
–
–
Erst ab 3000 Std. Betrieb
Dauerbetrieb bei gleichbleibender Belastung
Stressparameter wie z.B. 40 Grad Umgebungstemperatur
Annahme von 50% Stress pro Bauelement, wenn kein Stress angegeben wird
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Die MTBF ist der Kehrwert der Fehlerrate -> MTBF = z. B.
10 e9
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Verfügbar
nach Reparatur
verfügbar
nächste Verfügbarkeit
nach Reparatur
nicht geplanter
Stillstand
MTBF
Stillstand
Reparatur
MTTF
MTTR
Mean Time Between Failure
=
!
=
"
# −%
& ' #
( )ü +
'
Ausfallwahrscheinlichkeit von Systemen
p(T) =
,-./-01234-56
789: ;0 <4=650
x 100
8640 Stunden = 1 Jahr
Stationäre Verfügbarkeit von Systemen die repariert werden können
A=
789:
788:>788?
x 100
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nicht
verfügbar
Stillstand
Reparatur
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Ausfallratensammlungen und Standards für Bauelemente für die MTBF
Fehlerratenberechnung:
MIL-HDBK-217F Notice 2
Bellcore Issue 6
British-Telecom HRD5
Siemens SN-29500
FIDES
NSWC98 Mechanical
Chinese GJB299
Prism
Neue Standards und Methoden
– FIDES_2009
– IEC 61508 (SIL Level Analysis)
– IEC 61511 (SIL Level Analysis)
–
S217G
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–
–
–
–
–
–
–
–
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Auszug aus der SN29500-12
Referenzbedingungen
Ausfallkriterien: Totalausfälle und solche Änderungen von Hauptmerkmalen,
die in der Mehrzahl der Anwendungen zum Ausfall führen.
Zeitbereich: Betriebszeit > 3000 Stunden
Betriebsspannung: Nenn-Betriebsspannung, soweit in den Tabellen 1 bis 5
keine andere angegeben ist.
Ersatzsperrschichttemperatur:
See Tabellen 1 bis 5 ( θvj,1)
Mittlere Umgebungstemperatur:
θUref = 40°C
Betriebsart: Dauerbetrieb mit gleichbleibender Beanspruchung.
Umrechnung von Referenz- auf Betriebsbedingungen
z.B. für alle anderen analogen Integrierten Schaltkreise
mit fester Versorgungsspannung
λref Ausfallrate bei Referenzbedingungen
pU Faktor für Spannungsabhängigkeit
pT Faktor für Temperaturabhängigkeit
pD Faktor für Driftempfindlichkeit
U Betriebsspannung in V
Uref Referenzspannung in V
Umax maximal zulässige Betriebsspannung in V
C1 Konstante in (1/V)C2
C2,C3 Konstanten
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Einsatzart: Die angegebenen Ausfallraten gelten für den Einsatz der Geräte in
folgenden Umweltbedingungen nach DIN IEC 60721 Teile 3-1, 3-2, und 3-3:
Klima
3K3
mechanische Einflüsse
3M3
chemische Einflüsse
3C2
Sand und Staub
3S2
Es wird dabei vorausgesetzt, dass die Bauelemente nicht durch Überschreiten
der folgenden Bedingungen bei Transport und Lagerung vorgeschädigt
werden:
Transport:
Klima
2K4
2M2
2C2
Sand und Staub
2S2
Lagerung:
Klima
1K5
1M3
1C2
Sand und Staub
1S2
Die im Abschnitt 3 angegebenen Ausfallraten gelten auch für hiervon
abweichende Bedingungen, wenn der Einfluss durch konstruktive
Maßnahmen kompensiert werden kann.
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Auszug aus der SN29500-12
Tabelle 12 Faktor
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Frühausfallphase
Die Frühausfallphase von Integrierten
Schaltungen ist der Zeitbereich vom ersten
Beanspruchungsbeginn bis zum Erreichen
der konstanten Ausfallrate nach ca. 3 000
Betriebsstunden. Die zu erwartende mittlere
Ausfallrate für den betrachteten Zeitbereich
ergibt sich durch Multiplikation des
betreffenden Ausfallratenwertes aus den
Tabellen 1 bis 5 mit dem Faktor (für den
betrachteten Zeitabschnitt) aus Tabelle 12.
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Stressparameter von elektrischen Bauteilen
Leistung
Spannung
Strom
Temperatur
evtl. Schaltspiel
mechanischer
Komponenten
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-
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MTBF Berechnung
MTBF
Berechnung
mit Stressparametern
50% Stress
Default
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Stress Verifikation (fiXtress)
• Simuliert komplexe analoge und digitale Schaltungen
– analog
digital
advanced analog digital
komplexe digitale Schaltungen
multi Bus / Clock Frequenzen
• Stressparameter
–
–
basierend auf
Icc-on / Vce-off (Transitoren)
– Iforwards / Vreverse (Dioden)
• Simulationsbibliothek
–
Tabellen basierend
– elektrische Klassen
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–
–
–
–
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Designüberprüfung nach vordefinierbaren Regeln
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Fehlerhaft angeschlossene Bauteile
Nutzt Stück- und Netzlisten Informationen
DC/DC Konverter
Unterstützt Frequenzen
Power/Ground Anschlüsse
PCB Steckeranschlüsse
Dioden und Transistor Anschlüsse
IC Pins, FPGA’s Pins
Polarität der elektrischen Bauteile
Bus Anschlüsse (Adresse, Daten, parallel, seriell,
differential)
Fehlerhafte Anschlüsse
und Einpunkt Signale
Power / Ground
Anschlüsse
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Pin Type / Signalfluss Checks
Pin Technologie
Namens Konventionen
fiXtress™ berechnet automatisch für jedes einzele elektrische Bauelement die
maximalen Werte des einwirkenden Stress
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• 200 Regeln – beliebig erweiterbar
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Designüberprüfung nach vordefinierbaren Regeln
With error
After correction
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De-rating Rules Checker und Report Generator
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Einflüsse von Temperatur und Luftströme auf die MTBF
Ohne aktiven Lüfter (0CFM = Cubic Foot per Minute)
Mit aktiven Lüfter (800 CFM = Cubic Foot per Minute)
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Automatische Übernahme der Temperaturänderung auf Blockebene
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MTBF Berechnung:
ohne Berücksichtigung
der Verlustleistung
und
eines Lüfterstroms
FR=0,402666 MTBF=2.483.450
mit Berücksichtigung
der Verlustleistung
aber
eines Lüfterstroms
FR=1,479310 MTBF=675.991
der Verlustleistung
und
eines Lüfterstroms
FR=0,660319 MTBF=1.514.420
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SDTA (Stress De-rating & Thermal Analysis)
• gezielte Qualitätskontrolle gegenüber Herstellerangaben:
–
–
–
–
Belastung
Strom
Spannung
Temperatur
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– überbelastete
– unterbelastete
• verwendbare Belastungsprofile
–
–
–
–
Navsea
MIL
Industrie Standards
….
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• zeigt kritische Komponenten
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SDTA (Stress De-rating & Thermal Analysis)
Kostenbetrachtung:
Kosten
Qualität
– over designed
– optimized
– under designed
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Bauteil Bibliothek – Automatischer Datenimport
Expert
definition
file
.def
Temporary
Manual
corrections
PDM
Main
database of
components
Component
engineer
Lib
CSV file
PDM2CARE
Log File
For errors
.txt
Design
library in
file
*.mtbf
Copy2PLIB
PLIB
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FMECA (Failure Mode Effects & Criticality Analysis)
Fehlerbeschreibung:
Keine Limitierung:
- funktionale Ebenen
- Komponenten
- Fehlerarten
Gemeinsame DB:
- MTBF
- FTA
S
y
funktionale
Ebene
funktionale
Ebene
Komponenten
Ebene
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- traditionell DIN/EN
- eigene Definitionen
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FMECA (Failure Mode Effects & Criticality Analysis)
Neue Fehlermethoden:
- Next Brother Effekt
- Good Modes
- MIL-Std. 1629A
- SAE (Society Automotive
Engineers)
- eigene Definitionen
Grenzen:
- komplexe Systeme
- Redundanzen
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Gefahrenklassen:
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TA (Testability Analyse)
liefert Aussagen zur:
- Fehlerüberprüfung
- Fehlerisolierung
- Prüfmethoden
- BIT (Fehlerart)
- ATE (Prüfmethode)
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- allgemein fürs System
- nach Prüfmethoden
FlowCAD
FTA (Fault/Event Tree Analysis)
Berechnet für Ereignisse:
- Eintrittshäufigkeit
- Nichtverfügbarkeit
S
- Ursachen
- Kombinationen
Gemeinsame DB:
- MTBF
- FMECA
- RBD
funktionale
Ebene
funktionale
Ebene
Komponenten
Ebene
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Untersucht für Ereignisse:
FlowCAD
FTA (Fault/Event Tree Analysis)
Boolesche Funktionen
K out of N,
OR
OR-Markov,
AND
AND-Stand by
AND-Network
priority AND
NOT
XOR
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-
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RBD (Reliabitiy Block Diagramm)
Berechnet:
- Bottom to up
- Top to down
Berücksichtigt:
verwendet Elemente:
-
serial
Parallel
K of N
Markov
Netzwerke
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- instand zusetzende
Systeme
- Nicht instand
zusetzende Systeme
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RBD (Reliabitiy Block Diagramm)
Berechnet für alle Blöcke:
Reliability
Availability
MTBCF
MTTCF
FPMH
MTTR
Down time
Gemeinsame DB mit
- CARE
- FMEA/FEMECA
- FTA
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-
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MTTR (Mean Time to Repair)
Wartungskonzepte:
- Wartungszeiten
- Wartungsstrategien
- Wartungsintervalle
Berücksichtigt:
- instand zu setzend
- Austausch
- Demontage
Einschränkungen:
- Nur serielle Blöcke
- Keine Redundanzen
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MRS (Mechanical Reliability Simulation)
28
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MTBF Zuverlässigkeitsvorhersagen gemäß:
- NSWC98
Berücksichtigt:
- Materialermüdung
- Korrosion
- Rissbildung
- Schwächung
Schnittstellen:
- Pro/Engineer
- MSC
- Visual Nastran 4D
- …..
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Umfrage Webinar
10 Fragen. Danke für Ihre Mithilfe.
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FlowCAD Webinar Serie
Thema
Termin
Tipps und Tricks für OrCAD Capture
Do, 12.April 2012
3D Leiterplatten-Konstruktion mit NEXTRA
Do, 26. April 2012
Tipps und Tricks für OrCAD und Allegro PCB Editor
Do, 10. Mai 2012
Jeweils von 10.30 Uhr bis 11.30 Uhr
Anmeldung unter:
www.FlowCAD.ch/de/webinar
www.FlowCAD.de
30
FlowCAD
Ende
Besten Dank für Ihre Teilnahme und für Ihr
Interesse!
Tel.:
E-Mail:
+ 49 (89) 4563-7770
[email protected]
31
www.FlowCAD.de
Für Fragen, Anregungen oder
Bemerkungen erreichen Sie mich unter:
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